《自然·天文》:这一次,我们在月球的光照区发现了水分子

作者:haibaraemily来源:科普中国发布时间:2020-10-28

几天前的10月22日,NASA放出了一则“媒体告知”,表示“我们又有大新闻了”。

  至于是啥大新闻?会卖关子的NASA当然不会明说,只是表示这个新发现“和月球有关”“和NASA的索菲亚(SOFIA)天文台有关”,“来听我们的新闻发布会吧!”[1]

  

  NASA的“大新闻预告”

  图片来源:NASA [1]

  然鹅,吃瓜群众并不会“坐以待瓜”,而是迅速就这些线索展开了推理。

  首先,这个索菲亚天文台能干啥是确定的。

  这个由NASA和的宇航共同主持的索菲亚天文台,全称平流层红外探测天文台Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,缩写SOFIA),也被称作“飞行中的天文台”。简单来说,这就是一个在改装的波音747SP上架设的2.5米口径反射望远镜,日常飞行在12-14公里高空的地球平流层中,开展红外波段探测。

  

  索菲亚天文台

   图片来源:NASA/Jim Ross

  所以…是红外波段在月球上发现了啥?按照“大新闻”的规格,大概率是水、有机物或者生命这种咯?

  再仔细看下NASA公布的发布会参会名单,本着“一众领导里的博后才是干活的”这一常见现象,看来这位现任NASA哥达德空间飞行中心博士后的Casey Honniball多半是这个发现的一作了。

  

  NASA的“大新闻预告”中公布的发布会参会名单

  图片来源:NASA [1]

  有了这几个关键词,吃瓜群众们迅速定位到了今年3月月球与行星科学大会(LPSC)的一篇摘要——《月表光照处的分子水:索菲亚机载天文台探测到6微米H2O》。

  

  图片来源:参考文献 [2]

  基本破案了。

  果然,北京时间今天(1027日)凌晨,《自然·天文》杂志上线了以Casey Honniball为第一作者的论文:《索菲亚天文台在月球光照区发现了分子水》[3]

  

  果然是,有 摸鱼的 吃瓜群众在,一切都没有一丝丝意外 

  图片来源:参考文献 [3]

  这并不是月球上首次发现水。

  但这一次,不再是氢原子,不再是被“困”在水合物中的羟基,不再是永远不被阳光直射到的严寒阴影区。

  这一次,行星科学家们真的在月表光照区发现了水分子。

无水月球

  地球这颗“蓝色弹珠”,是太阳系中唯一一个水之星球,正是这些覆盖在地表上的珍贵的液态水,帮助地球孕育出了生命。但与地球相隔仅38万公里的月球,却完全是另一番光景——这里一片荒芜,寸草不生。

  

  地球和月球的对照,大小没有按比例

  图片来源:维基

  月球上有没有水?几十年前的人们普遍认为是没有的。月球几乎没有大气层和磁场,重力又那么小,日间温度还很高,而且那时候的人们也没有在月球表面观测到任何形式的水的迹象,即使阿波罗登月任务带回的月球岩石样本中检测到的少量的水,早期也被认为很可能是受到了地球大气的污染的结果[4]

  但随着更先进的月球探测器相继问世,这一观念在近些年发生了飞速变化。

永久阴影区里的水冰

  行星科学家们在月球上的寻水之路和一直和月球南北极紧密相连。

  毕竟,相比于有阳光直射的赤道和中高纬区域,光照最少、温度最低的月球南北两极显然更可能保存水。

  尤其是月球南北两极的永久阴影区Permanently shaded regions,简称PSRs)里,甚至可能封存着固态的水(水冰)。

  由于月球的自转轴几乎垂直于黄道面(自转轴倾角只有1.5°),导致南北极一些低洼的地方(比如撞击坑底部)永远不能被太阳光直射到,因此这些地方的理论温度甚至可以低于零下150摄氏度。

   

(左)月球南极的最高温度分布(南纬85°-极点),可以看到许多撞击坑内部的最高温度也在110 K以下;(右)月球南极的永久阴影区(黑色)分布(南纬80°-极点)

  图片来源:LPI Atlas [5]

  如果这些阴影区里原先就有水冰存在,就会一直保存下来,或者气态形式的水来到了到这些阴影区中时,也会以水冰的形式被永久地封存住。

  如何找到这些水?常见的手段是一种叫做“光谱”的遥感探测。不同物质反射/辐射光的特征是不同的,结果就是含有某种物质的反射/辐射光谱图像在某些特定的波段会表现出明显的吸收/辐射带。这是科学家们在不能亲身前往的外太空里寻找某种物质时搜寻的“指纹”。

  例如,水冰的反射光谱在可见光到近红外波段范围内(0.4-3°μm)有三个显著的V型特征吸收带,分别在1.31.52.0 μm,行星科学家们主要通过这个特征来寻找外星上的水冰。

  

  火星上富含水冰的区域展现出的相似的光谱特征(1.65 μm处的尖峰是仪器问题,不用管)

  图片改编自:参考文献 [6]

  2018年,夏威夷大学的李帅团队利用印度月船1号(Chandrayaan-1)探测器搭载的月球矿物绘图仪(简称M3,以及,这个仪器是NASA的)光谱数据,南北纬70°以上的永久阴影区中发现了多处暴露在地表的水冰。这也是科学家们首次在月球发现水冰存在的直接证据 [7]

  

  (左)月球南北极区含有水冰的位置(天蓝色点),底图的灰度代表表面温度,颜色越深就越冷;(右)三处含有水冰区域的反射光谱示例(虚线是实际观测值,实线是平滑后的结果)

  图片来源:参考文献 [7]

   

  那,那些可以被阳光照射到的,温度更高的区域里呢?

永久阴影区之外的羟基(OH

  在月球南北极的永久阴影区之外还有水吗?也有,但和我们想象中的很有那么点不一样。

  因为,明确探测到“完整”的分子水(H2O)太困难了,科学家们只能一点一点先尝试探测H2O的“零部件”。

  首当其冲的“零部件”是氢(H

  1998年发射的NASA月球探勘者号(Lunar Prospector)探测器搭载了一台中子光谱仪,它在月球南北极探测到了氢元素的富集°[8]。这可能是水么?完全可能。但这也同样可能是任何含有氢的物质,我们无法判断到底是哪一种。

  

  月球探勘者号的中子光谱仪测量的月球极区超热中子量分布,越蓝表示越低(氢越多),越红表示越高(氢越少)。因为超热中子被氢原子慢化的效率最高,所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度越高

  图片来源:参考文献 [9]

  进一步得到确认的“零部件”是羟基(OH

  2009年,印度月船1号、NASA的深度撞击号和卡西尼号三个不同的探测器,在同一年发现了月球全球分布、南北极富集的羟基/H2O°[4, 10, 11]。但遗憾的是,这几个探测器的光谱仪大多波段在可见光到近红外的范围(0.4-3 μm),只能通过2.8-3.0 μm波段的反射光谱吸收带判断存在羟基或者含水矿物形式的水,具体是哪种我们无法判断,但通常更倾向于是羟基形式的水。

  

  (左)月船1号的M3探测的月球极区羟基的富集(越蓝表示越富集)| NASA(右)羟基(OH)、水和水冰在3 μm(3000 nm)附近有不同波段有不同的吸收特征,但月船1号的M3刚好没能完整覆盖这个区域,只能判断有羟基和可能的分子水

  图片来源:参考文献 [4]

  当然,找到羟基也很不错了,行星科学家们四舍五入也把羟基视作一种形式的水嗯,是盖章认证过的月球水。

  但毕竟,我们还是希望能清楚判断这到底是不是“完整”的H2O水,希望能找到比羟基更“正经”的水的。

从可见光到红外

  那有没有其他可以明确区分羟基和分子水的特征呢?把波长放长一点,到红外波段的话,可以有。

  

  电磁波各波段。过去的深空探测器主要以可见光和近红外波段为主来探测水

  图片来源:维基

  分子水的辐射光谱在6 μm波段有个独特的辐射带这是羟基完全没有的特征。

  20188月,当时还在夏威夷大学攻读博士学位的Casey Honniball及其合作者们用索菲亚天文台FORCAST红外望远镜对月球正面光照区进行了观测。FORCAST望远镜的观测波段覆盖5-8 μm,非常适合用来寻找6 μm波段有没有分子水。事实上,这也是原本用于观测黑洞、星团和星系的索菲亚天文台首次用于观测月球。

  然后,她(他)们真的找到了!

南半球高纬度的水分子

  Casey Honniball及其合作者们选择了月球南半球高纬度的克拉维斯(Clavius)撞击坑一带(纬度:55-75°S作为搜寻目标。月船1号的M3光谱仪曾在这里发现过3μm波段的羟基富集,因此作者们推测这里也有可能存在分子水。

  她(他)们还选择了位于赤道的澄海部分区域(纬度:17-28°N作为对照组一起观测,这里温度更高,表面矿物也不同,是个和克拉维斯撞击坑差异很大的区域。

  结果非常理想。克拉维斯撞击坑一带的辐射光谱里确实发现了6 μm波段的辐射带,而澄海对照组就没有,说明前者确实存在水分子。

  

  (左)索菲亚天文台的两个观测区域:克拉维斯(Clavius)撞击坑一带和澄海一带(对照组);(右)克拉维斯撞击坑一带观测到的6 μm辐射带示例

  图片来源:参考文献[3]

  不过,水分子真的不多。据这次观测数据推算,克拉维斯撞击坑一带的水分子含量在100-400 ppm(1 ppm = 100万分之一),总量不足撒哈拉沙漠水量的百分之一[12]

什么样的水分子?

  分子形式的水,也可以有很多形态。克拉维斯(Clavius)撞击坑一带发现的是那种?作者表示,这是一个被很多记者问到的问题。

  

  固、液、气态水分子

  图片来源:University of Waikato

  这是一片会被太阳照射到的区域,最高温度有七八十摄氏度,所以这次发现的水分子不可能是水冰形式,但也不是液态水那样通常大众所感知的流动的形式。这样的水分子想要安然躲过月面的紫外分解和高温幸存下来,大概率是需要“躲藏”在月面物质颗粒的内部或者颗粒物的空隙之间的。当然,这只是一种物理上的“困”住,不同于羟基与月表物质化学上的绑定。

  

  “困”在月表颗粒中的分子水示意图  

  图片来源:NASA/Daniel Rutter [12]

  Casey Honniball及其合作者们认为,最可能的情况是这些水分子被“困”在月壤中的撞击玻璃(impact glass)中,这是一种微陨石撞击产生的高温作用下形成的玻璃质物质。

  

  阿波罗样品中的“花环”状撞击玻璃,是微陨石撞击熔融月壤的产物。(左) 扫描电镜(SEM)二次电子图像 ;(右)X射线图像

  图片来源:Lehigh University [13]

  月壤中撞击玻璃的质量占比大约在30-70%之间,剩下的是岩石和矿物碎块。取下限30%的话,就意味着如果这些水分子真的是撞击玻璃中的水,那么相当于克拉维斯撞击坑一带月壤的撞击玻璃中含水量可以高达300-1300 ppm(平均700 ppm)——大约是从月球赤道一带采回的阿波罗月壤中撞击玻璃水含量的5倍。

都是撞击惹的水?

  这些水分子是怎么来的?可能的原因有很多。作者尤其介绍了其中两种:1)撞击引起的;2)撞击带来的

  撞击带来的水很好理解,太空中飞来的小天体(撞击体)里原本就水分子,它们随着撞击来到了月球表面,从此安家月球。

  而撞击引起的水就烧脑一些,需要两个步骤来完成 [14-17]1)形成羟基:月球表面原本有无水的硅酸盐,然后太阳风注入月壤,带来的高能氢离子可以破坏硅氧键,与氧结合形成羟基;2)羟基形成水:微陨石的撞击产生的热能又进一步把羟基转变为水分子。

不再是“沙漠”的月球

  然而必须认识到的是,本次观测到的水分子只是索菲亚天文台在某个时间段里月面一小块区域内发现的“一鳞半爪”,而且含量非常低,因此这一结果并不能证明月表的光照区可以广泛而稳定地存在水分子。

  但它证实了一种可能性,那就是在月球终年严寒的永久阴影区之外,在最高温度高达七八十摄氏度的月球光照区,水分子依然有存在的可能。

  今年底,我国的嫦娥五号任务将前往月球,带回月球正面的岩石和土壤样品;2024年,NASA的阿尔忒弥斯计划将再次把人类送上月球;在不算遥远的将来,各国还计划在月球南极建立长期的月球科研基地……

  月球水分子的发现,无疑为人类将来重启的载人登月计划和建立长期的月球基地带来了新的水资源希望。

  “沙漠”月球已成过去,如今的月球,不仅是“水冰月”,还有更多可能尚未发掘的水资源。而接下来对更多月面光照区的后续观测则将给出更全面的月表水分子分布信息。

参考资料:

[1] NASA to Announce New Science Results About Moon

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-announce-new-science-results-about-moon

[2] Honniball, C. I., Lucey, P. G., Li, S., Shenoy, S., Orlando, T. M., Hibbitts, C. A., ... & Farrell, W. M. (2020). Molecular Water on the Illuminated Lunar Surface: Detection of the 6 µm HOH Fundamental with the SOFIA Airborne Observatory. LPI, (2326), 1422.

[3] Honniball, C.I., Lucey, P.G., Li, S. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x

[4] Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., ... & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

[5] https://www.lpi.usra.edu/lunar/lunar-south-pole-atlas/

[6] Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., ... & Clark, E. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201.

[7] Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C. (2018). Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(36), 8907-8912.

[8] Feldman, W. C., Maurice, S., Binder, A. B., Barraclough, B. L., Elphic, R. C., & Lawrence, D. J. (1998). Fluxes of fast and epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles. Science, 281(5382), 1496-1500.

[9]Lawrence, D. J. (2017). A tale of two poles: Toward understanding the presence, distribution, and origin of volatiles at the polar regions of the Moon and Mercury. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(1), 21-52.

[10]Sunshine, J. M., Farnham, T. L., Feaga, L. M., Groussin, O., Merlin, F., Milliken, R. E., & A’Hearn, M. F. (2009). Temporal and spatial variability of lunar hydration as observed by the Deep Impact spacecraft. Science, 326(5952), 565-568.

[11] Clark, R. N. (2009). Detection of adsorbed water and hydroxyl on the Moon. Science, 326(5952), 562-564.

[12] NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon

https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-sofia-discovers-water-on-sunlit-surface-of-moon/

[13] https://www.lehigh.edu/~inmndust/photographs.html

[14] Liu, Y., Guan, Y., Zhang, Y., Rossman, G. R., Eiler, J. M., & Taylor, L. A. (2012). Direct measurement of hydroxyl in the lunar regolith and the origin of lunar surface water. Nature Geoscience, 5(11), 779-782.

[15] Jones, B. M., Aleksandrov, A., Hibbitts, K., Dyar, M. D., & Orlando, T. M. (2018). Solar wind‐induced water cycle on the Moon. Geophysical Research Letters, 45(20), 10-959.

[16] Daly, R. T., & Schultz, P. H. (2018). The delivery of water by impacts from planetary accretion to present. Science advances, 4(4), eaar2632.

[17] Zhu, C., Crandall, P. B., Gillis-Davis, J. J., Ishii, H. A., Bradley, J. P., Corley, L. M., & Kaiser, R. I. (2019). Untangling the formation and liberation of water in the lunar regolith. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(23), 11165-11170.

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